鄭 堯

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

陽江抽水蓄能電站(以下簡稱“陽蓄電站”)為國內(nèi)已建一等[大(1)型] 工程中凈水頭最高、埋深最大、灌漿壓力最大的電站,在國際上亦處于前列。該電站高壓電纜洞斜井傾角為36°,長度為262.93 m(包括彎段),呈城門洞型,斷面尺寸為6 m×5.4 m(寬×高)。目前國內(nèi)、外緩傾角斜井的施工常采用正井法或反井法,但其均存在安全風(fēng)險高、投入成本大、工期長等問題。該工程若采用反井鉆機法施工是最高效、安全的開挖方法,但因該工程斜井角度明顯偏小,導(dǎo)致反井鉆機施工導(dǎo)孔貫通困難,導(dǎo)井溜渣安全風(fēng)險高,且傾角為36°的斜井采用反井鉆機法施工尚無先例可尋。因此,項目部依托該工程開展了緩坡斜井施工工藝的分析研究,提出了一種安全、優(yōu)質(zhì)、高效的“精準反導(dǎo)井正挖法”,并予以應(yīng)用,取得了較好的效果。闡述了對緩坡斜井精準反導(dǎo)井正挖法施工技術(shù)進行的研究。

2 施工工藝的比較與分析

結(jié)合陽蓄電站傾角為36°的高壓電纜洞斜井,此次研究主要針對30°～45°緩坡斜井施工工藝進行。根據(jù)《水電水利工程斜井豎井施工規(guī)范》(DL/T5407-2019)條文說明4.1.1條中的建議:“30°～45°的緩斜井采用自上而下全斷面開挖(正井法),若采用自下而上的開挖(反井法),須有扒渣和溜渣措施”[1]。由此可見該類斜井的施工工藝局限性強。由于該類斜井傾角較緩、整體高差較大、空間受限、施工條件差且與常用施工設(shè)備、施工技術(shù)水平不相匹配,導(dǎo)致該工程施工難度較大。研究分析后了解到的各工藝存在的問題見表1。

表1 傾角為30°～45°緩坡斜井各施工工藝存在的問題分析統(tǒng)計表

為克服傳統(tǒng)施工工藝存在的各種問題,提高施工的安全性和效率,項目部技術(shù)人員探究出一種“精準反導(dǎo)井正挖法[2]”。該方法通過MWD、RMRS定位技術(shù)實現(xiàn)了鉆頭定位,采用定向鉆機糾偏鉆進完成了導(dǎo)孔精準施工,改進型反井鉆機實現(xiàn)了反擴溜渣導(dǎo)井,模型試驗論證了溜渣的可行性,控制爆破技術(shù)實現(xiàn)了正向開挖。

3 精準反導(dǎo)井正挖法施工工藝

緩坡斜井精準反導(dǎo)井正挖法施工的核心在于導(dǎo)孔的精準貫通及導(dǎo)井溜渣,但其存在的主要風(fēng)險是溜渣堵井和導(dǎo)井偏斜。其工程目的實現(xiàn)的關(guān)鍵為:在模型理論的支撐下綜合應(yīng)用多種先進技術(shù),結(jié)合有效的控制爆破方法進行施工。

該工藝的主要施工流程:方案研究→模型試驗→施工準備→定向鉆機安裝→導(dǎo)孔施工(定位及糾偏)→定向鉆機拆除→反擴基礎(chǔ)施工→反井鉆機安裝→導(dǎo)井反擴施工→反井鉆機拆除→現(xiàn)場爆破試驗→正向全斷面開挖支護。

3.1 定向鉆機導(dǎo)孔施工工藝要點

該工藝為確保緩坡斜井的精準貫通,通過MWD、RMRS定位技術(shù)提出了采用定向鉆機施工導(dǎo)孔、輔以專用定向鉆具并結(jié)合鉆進軌跡進行分析后實施鉆進校正以提高導(dǎo)孔的貫通精度。

(1)鉆機選型。定向鉆機的選型應(yīng)充分結(jié)合鉆井長度、鉆孔直徑、巖石堅硬程度、斷層情況、偏斜率控制標準、場地空間尺寸等條件復(fù)核定向鉆機的最大回托力、最大回轉(zhuǎn)扭矩、回轉(zhuǎn)速度、給進壓力、泥漿泵最大排量、最大壓力等參數(shù),從而選擇合適的設(shè)備進行施工。

(2)定向鉆機的糾偏鉆具組合。為解決定向鉆機及MWD、RMRS測斜系統(tǒng)在堅硬巖層中直線鉆進的應(yīng)用,需要采用依托該工程研制的“一種用于斜、豎井鉆進的定向鉆具”以實現(xiàn)導(dǎo)孔的定位與校正。該鉆具的組合形式:牙輪鉆頭+磁短節(jié)+單彎螺桿+浮閥+扶正器+無磁鉆鋌3根(內(nèi)置測斜儀)+扶正器+加重鉆桿+普通鉆桿。

(3)鉆井泥漿。泥漿是定向工程導(dǎo)孔定位糾偏成敗的關(guān)鍵因素之一,其主要作用是穩(wěn)定導(dǎo)孔壁、裹攜鉆渣并將其排至地表、潤滑鉆具、提供糾偏的動力、冷卻孔底鉆具等[3]?，F(xiàn)場作業(yè)時泥漿控制的主要指標是相對密度、濾失量、粘度、靜切力等。泥漿性能的優(yōu)劣直接影響導(dǎo)孔的定位及糾偏效果,其可以通過優(yōu)化膨潤土、水和化學(xué)處理劑等的比例調(diào)節(jié)性能,從而保證定向鉆成孔的效果以及在擴孔、糾偏過程中的穩(wěn)定性和安全性。為了適應(yīng)不同地層對泥漿性能的要求,應(yīng)當進行現(xiàn)場試驗用于調(diào)整泥漿的摻量指標。該工程采用的泥漿性能技術(shù)指標[4]見表2。

表2 泥漿性能技術(shù)指標表

(4)測斜糾偏。在定向鉆具無磁鉆鋌中安裝MWD測斜儀,通過脈沖發(fā)生器將探測到的數(shù)值發(fā)送至井口。通過數(shù)值計算鉆頭的實際角度、方位等數(shù)據(jù),再操作定向鉆機旋轉(zhuǎn)單彎螺桿鉆具至理論角度,通過高壓泥漿壓力驅(qū)動前段彎螺桿的鉆頭鉆進糾偏,從而實現(xiàn)導(dǎo)孔“轉(zhuǎn)彎”;糾偏后重新測量鉆頭的方位數(shù)據(jù),直至調(diào)整到設(shè)計井斜。斜井導(dǎo)孔從入鉆點至出鉆點50 m之前采用MWD測斜儀對鉆頭進行定位,導(dǎo)孔距出鉆點小于50 m時在透孔點下部設(shè)置RMRS測距系統(tǒng)對鉆頭(旋轉(zhuǎn)的短磁節(jié))進行閉合定位,綜合MWD、RMRS兩項數(shù)據(jù)運用所研究的“一種緩傾角斜井導(dǎo)孔軌跡控制方法”計算并校正導(dǎo)孔。單彎螺桿結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 單彎螺桿結(jié)構(gòu)形式圖

3.2 反井鉆機導(dǎo)井施工工藝要點

該工藝系為確保緩坡斜井的導(dǎo)井反擴開挖制定,從而對反井鉆機的主要受力構(gòu)件及基座進行改造以確保其結(jié)構(gòu)受力、操作空間、設(shè)備布置等滿足相關(guān)要求,同時分階段采用合理的鉆速、鉆壓等參數(shù)完成導(dǎo)井反拉施工[5]。

(1)反井鉆機的基礎(chǔ)設(shè)計。對于該工程傾角范圍內(nèi)的緩坡斜井,反井鉆機施工時鉆機受力復(fù)雜,重力方向上的分力大,鉆機在大扭矩力作用下容易發(fā)生機械故障,需要盡量讓鉆機的作用力垂直于基礎(chǔ)面以改善其受力情況。對此,項目部技術(shù)人員研究并設(shè)計出“一種緩坡斜井反井鉆機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)”。該基礎(chǔ)設(shè)計的要點在于增加了基礎(chǔ)的抗滑能力,采用實心混凝土“凹”型基礎(chǔ);混凝土基礎(chǔ)與反井鉆機調(diào)腳靴板平行以確保鉆桿軸線與混凝土基礎(chǔ)斜面垂直;在基礎(chǔ)斜面上還應(yīng)預(yù)埋H型鋼用于安裝、固定反井鉆機;在混凝土基礎(chǔ)內(nèi)沿斜井鉆進中心線預(yù)埋鋼管以減少起鉆時對基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)破壞;在基礎(chǔ)的一側(cè)鋪設(shè)混凝土墊層以利于鉆桿的存放及吊運。反井鉆機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剖面見圖2。

圖2 反井鉆機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剖面圖

(2)對反井鉆機適應(yīng)性進行的改造。常規(guī)的反井鉆機適用于傾角為60°～90°的斜井施工,但其在傾角為30°～45°斜井中使用時應(yīng)進行適應(yīng)性改造。該工程主要對反井鉆機液壓支撐底座、調(diào)腳靴板、抓手、馬達等部位進行了以下改進。

①液壓支撐底座的改造:為便于反井鉆機調(diào)整入鉆角度,在反井鉆機支撐底座與主機框架處增加了2組長液壓千斤頂,并在千斤頂與主機框架連接部位設(shè)置了三角支撐,在千斤頂與底座連接部位設(shè)置了矩形支撐。

②為進一步提升入鉆點的準確度,在調(diào)腳靴板處增加了2組角度調(diào)節(jié)液壓千斤頂,腳板預(yù)留錨固孔,將基礎(chǔ)板與腳板通過螺栓進行連接。

③改進了液壓抓手,采用兩組液壓系統(tǒng)分別控制大臂、小臂,使其猶如人的手臂一樣能夠滿足反井鉆機液壓抓手橫縱移動,從而更加便捷地安裝斜井鉆桿。

④對液壓驅(qū)動馬達采用雙組設(shè)計,選用了兩組改進型液壓馬達,將液壓馬達做到輕量化。

通過對施工工藝及鉆機受力情況進行研究,在改進了上述基礎(chǔ)及設(shè)備后,實現(xiàn)了緩坡斜井反井鉆機的穩(wěn)定反擴,順利完成了導(dǎo)井施工。

3.3 正向開挖施工工藝要點

針對該傾角范圍的斜井,應(yīng)在數(shù)值模擬、模型試驗研究的基礎(chǔ)上開展緩坡斜井溜渣可行性的分析研究,充分利用爆破試驗開展現(xiàn)場溜渣驗證,優(yōu)化掌子面傾角、溜渣井位置、爆破設(shè)計方案,輔以適當?shù)牧镌胧┮越档驼蜷_挖面臨的溜渣堵井及安全風(fēng)險高等問題出現(xiàn)的概率。

3.3.1 導(dǎo)井溜渣運動特征和角度適應(yīng)性分析

緩坡斜井溜渣是否堵井決定了“精準反導(dǎo)井正挖法” 的成敗,項目部針對緩斜井溜渣的角度,通過數(shù)值模擬、建立運動學(xué)模型、開展模型試驗、現(xiàn)場試驗等方式探究了溜渣運動特征與角度的適應(yīng)性。

在進行數(shù)值模擬前,首先進行了單顆粒巖塊運動學(xué)和動力學(xué)理論研究,分析了巖塊在溜渣井內(nèi)可能出現(xiàn)的運動狀態(tài)和特征;然后進行室內(nèi)試驗,研究不同坡度、形狀、大小、條件下巖塊的運動軌跡、速度、距離等參數(shù)的變化情況,進行多變量方差分析;最后進行顆粒群巖塊運動特征分析,通過采用高速攝像記錄及現(xiàn)場統(tǒng)計等方法定量分析了巖塊運動的相關(guān)特性,獲取了數(shù)值模擬及模型試驗所需的基礎(chǔ)參數(shù)。

顆粒流溜渣運動的數(shù)值模擬運用EDEM軟件進行了離散元理論分析,通過網(wǎng)格劃分將渣料離散為單個相互獨立運動的單元,通過各單元顆粒在溜渣井中相互接觸、相互作用模擬出真實的溜渣狀態(tài),運用牛頓運動定律等創(chuàng)建每個單元的運動方程,采用顯示時間差分法求解動力平衡方程,通過動態(tài)松弛法、靜態(tài)松弛法等迭代方法進行循環(huán)迭代并計算出每個單元的運動特性,從而得到整個研究對象的運動特征,模擬出溜渣過程的運動情況。

通過數(shù)值模擬獲取參數(shù)后進行相關(guān)的模型試驗。模型試驗以滑渣坡度、顆粒級配為兩個變量研究石渣在導(dǎo)井中的運動規(guī)律,進而論證緩坡斜井反井溜渣的安全角度范圍和最優(yōu)顆粒級配。模型試驗裝置由支撐構(gòu)造、存料裝置、滑槽導(dǎo)管、渣料收集器、記錄裝置五部分組成,該裝置可實現(xiàn)0°～45°坡度范圍內(nèi)的任意改變。溜渣模型主要從渣料級配、石渣容重、滑槽尺寸、滑槽摩擦系數(shù)等關(guān)鍵指標考慮其相似性,模型與溜渣井的幾何相似比為1∶5。將模型試驗與數(shù)值模擬試驗取得的結(jié)果進行對比,從圖3中可以看出兩種試驗渣料的沖出距離和顆粒集散區(qū)間基本一致,進而可以相互印證試驗結(jié)論的準確性。某顆粒級配試驗結(jié)果對比情況見圖3。

(左:模型試驗結(jié)果;右:數(shù)值模擬結(jié)果)

通過對上述研究數(shù)據(jù)進行總結(jié),論證了30°～45°斜井在適合的條件下能夠滿足溜渣需求,并得出小顆粒是阻礙溜渣效果的因素之一。小顆粒的增多會加大溜渣過程中下墊面的摩擦力,阻礙大顆粒的滾動,因此,在工程現(xiàn)場,需要嚴格控制小顆粒的含量。模型試驗得出粒徑小于30 mm的顆粒不能超過總質(zhì)量的20%;工程中的最大粒徑不能超過700 mm,且粒徑為200～700 mm顆粒的質(zhì)量不能超過全部顆粒總質(zhì)量的50%,否則可能有堵井風(fēng)險。該工程的最優(yōu)爆渣級配區(qū)間指標為:小顆粒含量為10%～20%,中顆粒含量為40%～50%,大顆粒含量為40%～50%。

3.3.2 緩坡斜井擴挖爆破巖塊粒徑的控制與所采用的溜渣技術(shù)

項目部根據(jù)數(shù)值模擬合模型試驗推薦的最優(yōu)爆渣級配,在斜井正式開挖前開展了現(xiàn)場爆破試驗,獲得了符合溜渣粒徑控制要求的鉆爆參數(shù),項目部據(jù)此實施開挖并輔以擴挖溜渣技術(shù)完成了斜井開挖。

(1)全斷面爆破試驗。全斷面一次性爆破設(shè)計主要進行的是爆破進尺及爆渣級配控制試驗等。該工程的試驗進尺分別為1 m→2 m→2.5 m。各種進尺均未出現(xiàn)堵井現(xiàn)象,其中1 m進尺成本較高,2.5 m進尺扒渣量較大且大顆粒渣料相對較多,堵井風(fēng)險高;最終選取了即經(jīng)濟又保險的2 m進尺。

根據(jù)該工程巖性特點,在進尺2 m時進行了兩組鉆爆孔距試驗,第一組試驗的孔距為40～60 cm,爆出的渣料粒徑較細,細顆粒含量(18%)接近模型試驗上限,故應(yīng)適當加大孔距;第二組試驗的孔距為60～70 cm,爆出的渣粒粒徑中顆粒含量較大(52%),超出了模型建議值,故應(yīng)減小孔距。最終將主爆孔間距控制在50～60 cm,綜合試驗結(jié)果得出的最優(yōu)級配粒徑區(qū)間及含量見表3。

表3 最優(yōu)級配粒徑區(qū)間及含量表

其他工程若需參照本研究成果實施,應(yīng)首先根據(jù)工程實際遇到的巖性進行爆破試驗,然后選擇爆破進尺、孔距、爆破方式等。

(2)全斷面擴挖溜渣技術(shù)。為降低堵井風(fēng)險,提高施工效率,項目部結(jié)合現(xiàn)場及模型試驗成果對工程進度及安全進行綜合分析后作出了以下三點優(yōu)化:

①掌子面傾角優(yōu)化:為提升渣料下溜率且便于爆破造孔,將開挖掌子面傾角與水平線的夾角控制在20°～30°,如此實施能夠?qū)⒈剖行Ъ杏诘撞?提升石渣導(dǎo)入溜渣井的數(shù)量,進一步降低扒渣人員的勞動強度。緩傾斜井正向開挖剖面見圖4。

圖4 緩傾斜井正向開挖剖面示意圖

②溜渣井的位置優(yōu)化:基于導(dǎo)井的高精度貫通,為有效減少下半洞的存渣量,將溜渣導(dǎo)井布置于底板,以便更好地引導(dǎo)爆破渣料下溜,減少扒渣工程量;溜渣過程采用5 L/min的助溜劑進行助溜,助溜劑的組成為0.1%的植物油,99.9%的水。

③爆破設(shè)計優(yōu)化:以導(dǎo)井為中心,炮孔布置形式采用“菱形+中心空孔”方式布置,孔距控制指標為50～60 cm,全斷面分上下半洞兩序延時(880 ms)爆破,這樣實施既可以提高爆渣落入導(dǎo)井的量,提升施工效率;又可有效降低瞬間同時進入導(dǎo)井的渣量,進而降低了堵井風(fēng)險。

4 結(jié) 語

“精準反導(dǎo)井正挖法” 在陽江抽水蓄能電站中的成功應(yīng)用,形成了緩坡斜井施工新工藝。該工藝通過實時定位、鉆進糾偏、反井鉆機適應(yīng)性改造、模型試驗、爆破控制等各項施工技術(shù)的有機結(jié)合,能夠有效規(guī)避傳統(tǒng)施工工藝存在的問題,突破了緩坡斜井施工的局限性,形成了一種高效、精準、安全、優(yōu)質(zhì)的施工技術(shù)。希望此次研究取得的成果及文中闡述的施工技術(shù)分析能為傾角為30°～45°斜井工程的施工提供幫助。